Em outubro de 2018, uma das grandes maravilhas do mundo será lançada, em um foguete Ariane 5, do Centro Espacial Kourou na Guiana Francesa. O famoso Telescópio Espacial James Webb.

Uma ilustração do Telescópio Espacial James Webb dobrado em um foguete Ariane5 Arianespace/ESA/NASA

O Webb será um grande telescópio espacial infravermelho com um espelho primário de 6,5 metros.

Uma colaboração internacional entre a NASA, ESA(Agência Espacial Europeia) e CSA(Agência Espacial Canadense).

Quais serão os objetivos científicos ?

Para que servirá o Telescópio James Webb ?

Em resumo, os objetivos científicos são absurdamente sensacionais.

  • As primeiras fontes de luz

Após o Big Bang, o universo era como uma sopa quente de partículas (prótons, nêutrons e elétrons). Quando o universo começou a esfriar, prótons e nêutrons começaram a se combinar em átomos ionizados de hidrogênio e deutério. Deutério fundido adicionalmente em hélio-4. Estes átomos ionizados de hidrogênio e hélio atraíram elétrons transformando-os em átomos neutros.

Este processo de emparelhamento de partículas é chamado de “Recombinação” e ocorreu aproximadamente entre 240.000 a 380.000 anos após o Big Bang. O Universo tornou-se transparente neste momento.

Antes, os fótons eram impedidos de viajar livremente e estavam sempre interagindo com elétrons livres. Agora que os elétrons livres estão ligados aos prótons, os fótons não estão mais “aprisionados”.

“A era da recombinação” é o ponto mais antigo da nossa história cósmica para o qual podemos olhar para trás com qualquer forma de luz. O resultado final desta época é o que vemos na Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas, em satélites como o Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) e o Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP).

Resultado do WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

A seguir, aproximadamente entre 380.000 anos e 150 milhões de anos, ocorre a “Era das Trevas”(Dark Ages), uma época após o Universo se tornar transparente, mas antes das primeiras estrelas se formarem.

Quando as primeiras estrelas se formaram, o universo começou a ser novamente iluminado.

Termina-se então a “Era das Trevas” e inicia-se a próxima época em nosso universo onde as primeiras estrelas se formam, aproximadamente entre 150 milhões e 1 bilhão de anos.

A teoria prediz que as primeiras estrelas eram de 30 a 300 vezes mais maciças que o nosso Sol e milhões de vezes mais brilhantes, queimando por apenas alguns milhões de anos antes de explodirem como supernovas.

A luz ultravioleta energética dessas primeiras estrelas era capaz de dividir átomos de hidrogênio de volta em elétrons e prótons, ou seja, novamente ionização.

“A Época da Reionização”, refere-se ao ponto em que a maior parte do hidrogênio neutro foi reionizado pela radiação crescente das primeiras estrelas maciças. A reionização é um fenômeno importante na história do nosso universo, pois apresenta um dos poucos meios pelos quais podemos (indiretamente) estudar essas primeiras estrelas.

Mas, os cientistas não sabem exatamente quando as primeiras estrelas se formaram e quando este processo de reionização começou a ocorrer.

Um dos principais objetivos do James Webb é exatamente observar de alguma maneira(infravermelho) essa época de reionização, as primeiras estrelas e as primeiras galáxias formadas no universo.

Além! Quem sabe, poderíamos palpitar sobre a possibilidade dessas primeiras estrelas ao explodirem em supernovas, terem gerado buracos negros que ao engolir gás e outras estrelas tornaram-se mini-quasares que crescendo e fundindo com outros tornaram-se os buracos negros supermassivos encontrados agora no centro da maioria das galáxias. É possível ?

 

Tudo isso é muito interessante, e o poderoso James Webb, atualmente, é a maior aposta da humanidade , para se avançar no entendimento da cosmologia científica.

  • Formação de Galáxias

As galáxias nos mostram como a matéria no universo é organizada em grandes escalas. Para entender a natureza e a história do universo, os cientistas estudam como a matéria está atualmente organizada e como essa organização mudou através do tempo cósmico. Na verdade, os cientistas estudam como a matéria é distribuída e se comporta em várias escalas de tamanho. Observando desde o nível subatômico até as estruturas imensas de galáxias e matéria escura pelo cosmos. Esses estudos e observações nos traz evidências importantes sobre a origem e evolução do universo.

Super telescópios, como o Hubble, fizeram belas imagens de majestosas galáxias espirais, como esta, que é chamada de NGC 3344.

NGC 3344 é uma gloriosa galáxia espiral que fica a 25 milhões de anos-luz de distância. Seu tamanho representa aproximadamente a metade da Via Láctea. Credit: ESA/Hubble & NASA

Mas as galáxias nem sempre pareceram assim. As grandes espirais com as quais estamos tão familiarizados, inclusive a Via Láctea, foram formadas ao longo de bilhões de anos por vários processos diferentes, incluindo colisões de galáxias menores. 

As observações atuais unidas à teoria, nos mostram que possivelmente as galáxias elípticas gigantes são formadas também pelo processo de colisão de galáxias de tamanho semelhante, rompendo e mesclando mutuamente . Em termos genéricos, acredita-se que quase todas as galáxias maciças sofreram pelo menos uma colisão e fusão com outra galáxia.

Galáxia elíptica gigante, M87. Acredita-se que espirais e elípticas gigantes se formam através de colisões entre galáxias. Crédito: ESA / Hubble & NASA

Mas, como se formaram as primeiras galáxias ?

Porque existem diferentes tipos de galáxias ?

Sabemos agora que existem buracos negros supermassivos no centro da maioria das galáxias, mas qual é a natureza da relação entre esses buracos negros e a galáxia ?

Observamos que as galáxias continuam se formando e colidindo com outras. Há diversos exemplos de colisão e fusão de galáxias nos dias atuais.

Prevemos que possivelmente até mesmo nossa galáxia Via Láctea irá colidir com Andrômeda daqui alguns bilhões de anos.

Com o Telescópio Espacial James Webb, iremos observar as galáxias mais distantes, fazer espectros infravermelhos, inclusive de estrelas nessas galáxias. Poderemos entender como elementos mais pesados que o hidrogênio foram formados ao passo que as galáxias prosseguiam evoluindo através do tempo.

  •  Nascimento de Estrelas e Sistemas Protoplanetários

Os Pilares da Criação, uma das grandes revelações do Telescópio Espacial Hubble.

A imagem é espetacular e foi feita na região óptica com o Hubble, mas não podemos ver a luz emitida das estrelas dentro desses pilares de poeira.

Mas e se usássemos um telescópio sensível à luz infravermelha para olhar dentro dessas nuvens de poeira?

De fato, o próprio Hubble consegue detectar infravermelho como na imagem abaixo.

No infravermelho, estruturas dentro das nuvens de poeira são reveladas e as estrelas escondidas tornam-se agora aparentes.

Se isso já é possível com o Hubble, imagine o que Webb poderá fazer, afinal, ele é um telescópio infravermelho extremamente sensível e absurdamente maior.

Funciona mais ou menos assim:

E se você colocasse seu braço em um saco de lixo? Seu braço está escondido. Invisível. Correto?

E então, você pega uma câmera sensível ao infravermelho. Nossos olhos não enxergam o infravermelho, mas uma câmera sensível à essa radiação pode detectar.

Você pode estar se perguntando: “Mas porque há cores na imagem se infravermelho não tem, uma vez que nosso olhos não enxergam?” A câmera detecta o infravermelho, que em suma é calor emitido pelo corpo, e então, adicionamos falsas cores à imagem para visualizarmos.

E é assim que o telescópio infravermelho funciona também. Ele vê o calor ou a luz infravermelha sendo emitida pelas estrelas dentro das nuvens de poeira.

Para desvendar o nascimento e a evolução inicial de estrelas e planetas, precisamos ser capazes de olhar para os corações de nuvens densas e empoeiradas onde a formação de estrelas começam.

No século passado não sabíamos que as estrelas eram alimentadas pela fusão nuclear, e apenas pouco tempo atrás, cerca de cinquenta anos, descobrimos que novas estrelas continuam se formando no Universo.

Não sabemos os detalhes de como as nuvens de gás e poeira se colapsam para formar estrelas, nem mesmo porque a maioria das estrelas se formam em grupos, e até mesmo como exatamente, em detalhes, se formam os sistemas planetários.

Para responder em detalhes, precisamos de mais observações por dentro dessas regiões onde estrelas e planetas se formam, e o Webb pode fazer isso de forma eficiente.

  •  Planetas e Origens da Vida

O primeiro planeta fora de nosso sistema solar foi descoberto em 1992. Desde então, nós descobrimos uma multidão de planetas em torno de outras estrelas. Chegamos à conclusão de que os planetas são de fato bastante comuns.

Gráfico histograma dos exoplanetas descobertos até de 08/03/2017. Credit: From Wikimedia Commons, the free media repository

O objetivo final da busca é encontrar planetas orbitando na zona habitável de sua estrela, onde é possível a água líquida e talvez até a vida.

Para rastrear as origens da Terra e da vida no Universo, precisamos estudar a formação e evolução dos planetas, incluindo o material em torno das estrelas onde os planetas se formam. Uma questão-chave é entender como os blocos de construção dos planetas são montados.

Não sabemos se todos os planetas de um sistema planetário se formam no local ou se viajam para dentro depois de se formarem nos confins exteriores do sistema.

Também não se sabe em detalhes como os planetas atingem as órbitas mais externas, ou como planetas grandes afetam os menores em sistemas solares como o nosso.

Um dos principais usos do Telescópio Espacial James Webb será estudar as atmosferas dos exoplanetas, para procurar os blocos de construção da vida em outros lugares do universo.

Mas o Webb não é um telescópio infravermelho ? Como isso é bom para estudar exoplanetas?


Um método usado pelo Webb para estudar exoplanetas é o método de trânsito, que em suma é detectar curvas de luz que ocorrem enquanto o planeta transita na frente da estrela.

A colaboração com telescópios terrestres pode nos ajudar a medir a massa dos planetas, através da técnica de velocidade radial (isto é, medir a oscilação estelar produzida pelo puxão gravitacional de um planeta) e, em seguida, Webb fazendo espectroscopia da atmosfera do planeta.

Além! Webb irá levar coronógrafos para permitir imagens diretas de exoplanetas perto de estrelas brilhantes.

A imagem de um exoplaneta seria apenas um ponto, não um grande panorama, mas podemos aprender muito ao estudar esse ponto. Ex: cor, diferenças entre inverno e verão, vegetação, rotação, clima.

Os corpos gelados e a poeira nos confins exteriores do nosso Sistema Solar são evidências de como nosso sistema era quando muito jovem.

Podemos comparar diretamente essas condições com os objetos e poeira observados em torno de outras estrelas.

Os instrumentos sensíveis no Telescópio Espacial James Webb serão capazes de obter imagens infravermelhas de planetas gigantes e sistemas planetários e caracterizar suas idades e massas através da medição de seus espectros.

Além! Também será capaz de medir espectros dos discos em torno de outras estrelas para determinar os constituintes de tais discos que dão origem a sistemas planetários.

Mas, além de estudar planetas e estrelas fora do sistema solar, devemos estudar e aprender mais sobre nossa própria casa.

O Webb será poderoso o suficiente para identificar e caracterizar cometas e outros corpos gelados nos confins do nosso sistema solar, objetos no cinturão de Kuiper, e etc. Quem sabe não podemos encontrar pistas e evidências sobre nossas origens aqui na Terra ?

A cobertura espectral de infravermelho próximo e médio e a sensibilidade proporcionada pelo Webb, complementam as outras missões da NASA no Sistema Solar, incluindo espaçonaves e rovers, bem como observatórios terrestres.

A sensibilidade e a resolução espectral sem precedentes do Webb não são comuns para a maioria das missões planetárias. Grandes avanços em estudos de composição serão feitos para a maioria dos alvos do sistema solar.

Por exemplo, podemos pesquisar moléculas que possam ser sinais de vida passada/presente na atmosfera marciana e conduzir estudos globais que complementam as descobertas do rover/lander.

O Telescópio Espacial James Webb será o avanço da astronomia em nossa geração.

E assim como eu, provavelmente você está ansioso pelo sucesso de seu lançamento.

Felipe Hime Miranda

Graduando em Astronomia pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Astrofísico em formação, criador do Café e Ciência e atualmente bolsista CNPq no Museu de Astronomia e Ciências Afins.

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